2D-0D 하이브리드 광메모리 소자

한국과학기술연구원 (KIST, 이하 연구원)은 지난 09월 21일(목) 연구원 광전소재연구단 황도경 박사와 대구경북과학기술원 (DGIST,) 에너지공학과 이종수 교수 공동연구팀이 새로운 0차원-2차원 반도체 인공접합 신소재를 개발하고, 빛으로 작동하는 차세대 메모리 효과를 관찰했다고 밝혔다.

다진법 컴퓨터의 연산부와 저장부 간의 데이터를 전기 신호가 아닌 빛을 활용해 전송하면 처리 속도를 획기적으로 높일 수 있다. 연구팀은 셀레늄화 카드뮴 (CdSe)의 표면에 황화아연 (ZnS)을 입힌 코어쉘 (core-shell) 구조의 양자점과 몰리브덴황 (MoS2) 반도체를 접합시킨 0차원-2차원 반도체 인공접합 신소재를 제작했다. 이 신소재를 이용하면 10㎚ 이하 크기의 양자점 안에 전자 상태를 저장하고 조절할 수 있다.

셀레늄화 카드뮴 코어에 빛을 가하면 일정량의 전자가 몰리브덴황 반도체로 흘러나오고, 정공을 코어 안에 가두는 과정을 통해 전도성을 갖게 된다. 셀레늄화 카드뮴 내부의 전자대 (electron state) 또한 양자화되어있다. 간헐적 빛 펄스로 전자대역에 전자들을 차례로 가두어 발생하는 전계효과를 통해 몰리브덴황의 저항 변화를 유도하고, 빛 펄스 횟수에 따라 계단형으로 저항이 바뀌게 된다. 이 과정을 통해 0과 1 상태만 존재하는 기존 메모리와 달리 0과 10 이상의 상태를 나누고 유지할 수 있게 된다. 또한 황화아연 쉘은 인접한 양자점끼리의 전하 누설을 방지해 단일 양자점 하나하나가 메모리 기능을 하도록 돕는다.

기존의 0차원-2차원 반도체 인공접합 구조에서는 양자점이 단순히 광센서의 신호를 증폭하는 역할에 그친 것과 비교해 연구팀이 개발한 양자점 구조는 플로팅게이트 메모리 구조를 완벽하게 모방하여 차세대 광메모리로의 활용 가능성을 확인했다. 연구팀이 다진법 메모리 현상의 효과성을 CIFAR-10 데이터셋을 이용한 신경망 모델링으로 검증한 결과 91%의 인지율을 달성했다.

연구원 황도경 박사는 “이번에 개발된 다진법 광메모리 소자는 기존 실리콘 반도체 소자의 미세화·고집적화로 인해 발생하는 기술적 한계가 실용화를 어렵게 했던 인공지능 시스템 등 차세대 시스템 기술의 산업화를 앞당기는데 기여할 것”이라고 전망했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 중견연구자지원사업과 연구원 주요사업으로 수행됐으며, 연구결과는 국제학술지 ‘Advanced Materials에 게재됐다.